Гироскоп с вибрирующей структурой - Vibrating structure gyroscope

А вибрирующий гироскоп, определяемый IEEE как Вибрационный гироскоп Кориолиса (CVG),[1] это гироскоп который использует вибрирующую структуру для определения скорости вращения. Гироскоп с вибрирующей структурой работает так же, как и жужжальца мух (насекомые в порядке Двукрылые ).

Основной физический принцип состоит в том, что вибрирующий объект имеет тенденцию продолжать вибрировать в той же плоскости, даже если его опора вращается. В Эффект Кориолиса заставляет объект прикладывать силу к опоре, и измеряя эту силу, можно определить скорость вращения.

Гироскопы с вибрационной структурой проще и дешевле обычных. вращающиеся гироскопы аналогичной точности. Недорогие гироскопы с вибрирующей структурой, изготовленные с МЭМС технологии широко используются в смартфонах, игровых устройствах, камерах и многих других приложениях.

Теория Операции

Рассмотрим два доказательные массы колеблется в плоскости (как в МЭМС гироскоп) на частоте . В Эффект Кориолиса вызывает ускорение доказательных масс, равное , куда это скорость и является угловая скорость вращения. Скорость пробных масс в плоскости определяется выражением , если положение в плоскости задается формулой . Движение вне плоскости , индуцированная вращением, определяется как:

куда

- масса доказательной массы,
это жесткость пружины во внеплоскостном направлении,
- величина вектора вращения в плоскости и перпендикулярно движению ведомой контрольной массы.

Измеряя , таким образом, мы можем определить скорость вращения .

Реализации

Цилиндрический резонаторный гироскоп (ЦРГ)

Этот тип гироскопа был разработан GEC Marconi и Ferranti в 1980-х годах с использованием металлических сплавов с прикрепленными пьезоэлектрическими элементами и цельной пьезокерамической конструкции. Впоследствии, в 90-х годах, CRG с магнитоэлектрическим возбуждением и считыванием были произведены американской компанией Inertial Engineering, Inc. в Калифорнии, а пьезокерамические варианты - компанией Watson Industries. В недавно запатентованном варианте Innalabs используется резонатор цилиндрической конструкции из сплава типа Elinvar с пьезокерамическими элементами для возбуждения и датчика на его дне.

Эта революционная технология позволила существенно увеличить срок службы изделия (наработка на отказ> 500 000 часов); с его ударопрочностью (> 300G) он должен подходить для "тактических" (средней точности) приложений.

Резонатор работает в резонансном режиме второго порядка. Q-фактор обычно составляет около 20 000; что предопределяет его шум и случайные угловые блуждания. Стоячие волны представляют собой колебания эллиптической формы с четырьмя пучностями и четырьмя узлами, расположенными по окружности вдоль обода.

Угол между двумя соседними пучностями - узлами составляет 45 градусов. Одна из эллиптических резонансных мод возбуждается до заданной амплитуды. Когда устройство вращается вокруг своей чувствительной оси (вдоль его внутреннего стержня), возникающие в результате силы Кориолиса, действующие на элементы вибрирующей массы резонатора, возбуждают вторую резонансную моду. Угол между главными осями двух режимов также составляет 45 градусов.

Замкнутый контур переводит второй резонансный режим в ноль, и сила, необходимая для обнуления этого режима, пропорциональна входной скорости вращения. Этот контур управления обозначен как режим принудительной балансировки.

Пьезоэлектрические элементы на резонаторе создают силы и воспринимают индуцированные движения. Эта электромеханическая система обеспечивает низкий выходной шум и большой динамический диапазон, необходимые для требовательных приложений, но страдает от интенсивных акустических шумов и высоких перегрузок.

Пьезоэлектрические гироскопы

А пьезоэлектрический материал может вызвать вибрацию, а боковое движение из-за силы Кориолиса может быть измерено для получения сигнала, связанного со скоростью вращения.[2]

Гироскоп с камертонной вилкой

В гироскопе этого типа используется пара тестовых масс, приводимых в резонанс. Их смещение от плоскости колебаний измеряется для получения сигнала, связанного со скоростью вращения системы.

Ф. В. Мередит зарегистрировал патент на такое устройство в 1942 г., работая на Royal Aircraft Establishment. Дальнейшую разработку в РАЭ в 1958 году провел Г. Хант и A.E.W. Хоббса, который продемонстрировал дрейф менее 1 ° / ч или (2,78×10−4) ° / с.[3]

Современные варианты использования тактических гироскопов увеличены вдвое. камертоны например, произведенные американским производителем Systron Donner в Калифорнии и французским производителем Safran Electronics & Defense / Safran Группа.[4]

Резонатор для бокала

Также называется полусферический резонаторный гироскоп или HRG, стеклянный резонатор использует тонкую твердотельную полусферу, закрепленную толстым стержнем. Полусфера с его ножкой приводится в резонанс изгиба, и узловые точки измеряются для обнаружения вращения. Существует два основных варианта такой системы: один основан на скоростном режиме работы («режим принудительной балансировки»), а другой вариант основан на интегрирующем режиме работы («полноугольный режим»). Обычно последний используется в сочетании с управляемым параметрическим возбуждением. Можно использовать оба режима с одним и тем же оборудованием, что является уникальной особенностью этих гироскопов.

Для цельной конструкции (т. Е. Полусферическая чашка и шток (и) образуют монолитную деталь), изготовленные из высокочистой кварцевое стекло, можно достичь Добротность больше 30-50 миллионов в вакууме, поэтому соответствующие случайные блуждания крайне малы. Q ограничивается покрытием, чрезвычайно тонкой пленкой из золота или платины, и потерями в приспособлении.[5] Такие резонаторы необходимо настраивать с помощью ионно-лучевой микроэрозии стекла или лазерной абляции. Инженеры и исследователи из нескольких стран работают над дальнейшим улучшением этих сложных современных технологий.[6]

Safran и Northrop Grumman основные производители HRG.[7][8]

Гироскоп с вибрирующим колесом

Колесо вращается вокруг своей оси на долю полного оборота. Наклон колеса измеряется для получения сигнала, связанного со скоростью вращения.[9]

Гироскопы MEMS

вибрирующая конструкция MEMS-гироскоп

Недорогая вибрационная конструкция микроэлектромеханические системы (MEMS) гироскопы стали широко доступны. Они упакованы так же, как и другие интегральные схемы и может иметь аналоговые или цифровые выходы. Во многих случаях одна часть включает гироскопические датчики для нескольких осей. Некоторые части включают несколько гироскопов и акселерометры (или многоосные гироскопы и акселерометры ), чтобы получить результат, шесть полных степеней свободы. Эти единицы называются инерциальные единицы измерения, или ИДУ. Panasonic, Роберт Бош ГмбХ, InvenSense, Сейко Эпсон, Сенсонор, Hanking Electronics, STMicroelectronics, Freescale Semiconductor, и Аналоговые устройства основные производители.

Внутри гироскопов MEMS используются литографические версии одного или нескольких механизмов, описанных выше (камертоны, вибрирующие колеса или резонансные твердые тела различной конструкции, например, аналогичные TFG, CRG или HRG, упомянутые выше).[10]

Гироскопы MEMS используются в автомобильных системах предотвращения опрокидывания и подушек безопасности, стабилизации изображения и имеют много других потенциальных применений.[11]

Применение гироскопов CVG

Автомобильная промышленность

Автомобильные датчики рыскания могут быть построены на основе гироскопов с вибрирующими конструкциями. Они используются для обнаружения состояний ошибки при рыскании по сравнению с прогнозируемым ответом при подключении в качестве входа к электронный контроль устойчивости системы в сочетании с датчиком рулевого колеса.[12] Усовершенствованные системы предположительно могут предлагать обнаружение опрокидывания на основе второго VSG, но для этой цели дешевле добавить продольный и вертикальный акселерометры к существующим боковым.

Развлекательная программа

Игра Nintendo Game Boy Advance WarioWare: Искаженный! использует пьезоэлектрический гироскоп для обнаружения вращательного движения. Sony ШЕСТЬ ОСИ Контроллер PS3 использует один гироскоп MEMS для измерения шестой оси (рыскания). Nintendo Wii MotionPlus в аксессуаре используются многоосные гироскопы MEMS, предоставленные InvenSense для увеличения способности распознавания движения Пульт Wii.[13] Самый современный смартфоны и игровые устройства также оснащены гироскопами MEMS.

Увлечения

Гироскопы с вибрирующей структурой обычно используются в радиоуправляемые вертолеты для управления рулевым винтом вертолета и в радиоуправляемые самолеты чтобы сохранять устойчивое положение во время полета. Они также используются в мультикоптер контроллеры полета, поскольку мультикоптеры по своей сути аэродинамически нестабильны и не могут оставаться в воздухе без электронной стабилизации.

Промышленная робототехника

Роботы Epson использует кварцевый гироскоп MEMS, называемый QMEMS, для обнаружения и контроля вибрации своих роботов. Это помогает роботам позиционировать конечный эффектор робота с высокой точностью движения на высокой скорости и с быстрым замедлением.[14]

Фотография

Много стабилизация изображения в системах видео и фотоаппаратов используются гироскопы с вибрирующей структурой.

Ориентация космического корабля

Колебание также можно индуцировать и контролировать в гироскопе с вибрирующей структурой для позиционирования космических аппаратов, таких как Кассини – Гюйгенс.[15] Эти маленькие полусферические резонаторные гироскопы из кварцевого стекла работают в вакууме. Существуют также прототипы гироскопов с цилиндрическими резонаторами с упругой развязкой (ЦРГ).[16][17] из монокристалла высокой чистоты сапфир. Лейко-сапфир высокой чистоты имеет добротность на порядок выше, чем кварцевое стекло используется для HRG, но этот материал твердый и имеет анизотропия. Они обеспечивают точное позиционирование космического корабля по трем осям и обладают высокой надежностью на протяжении многих лет, поскольку не имеют движущихся частей.

Другой

В Segway Human Transporter использует гироскоп с вибрирующей структурой, изготовленный Кремниевые сенсорные системы для стабилизации платформы оператора.[18]

Рекомендации

  1. ^ IEEE Std 1431–2004 Кориолисовы вибрационные гироскопы.
  2. ^ "Керамические пьезо гироскопы NEC TOKIN". Получено 28 мая, 2009.
  3. ^ Коллинсон, Р.П.Г. Введение в авионику, второе издание, Kluwer Academic Publishers: Нидерланды, 2003 г., стр. 235
  4. ^ "Sagem Défense Sécurité: MARCHÉS / PRODUITS - Systèmes Avioniques & Navigation - Navigation". archive.org. 16 октября 2007 г. Архивировано с оригинал 16 октября 2007 г.. Получено 27 сентября, 2016.
  5. ^ Сарапулов С.А., Ри Х.-Н., Пак С.-Дж. Предотвращение внутренних резонансов в сборке полусферического резонатора из плавленого кварца, соединенного индиевым припоем // Труды 23-й ежегодной весенней конференции KSNVE (Корейское общество инженеров по шуму и вибрации). Йосу-сити, 24–26 апреля 2013 г. - С.835-841.
  6. ^ Сарапулов С.А. 15 лет развития твердотельной гидродинамики в СССР и Украине: итоги и перспективы прикладной теории // Proc. Национального технического совещания Института навигации (Санта-Моника, Калифорния, США, 14–16 января 1997 г.). - С.151-164.
  7. ^ "Chanakya Aerospace Defense & Maritime Review". www.chanakyaaerospacedefence.com.
  8. ^ http://www.northropgrumman.com/Capabilities/HRG/Documents/hrg.pdf
  9. ^ «Инерционные датчики - датчики угловой скорости». Получено 28 мая, 2009.
  10. ^ Бернштейн, Джонатан. «Обзор технологии инерционного зондирования MEMS», Датчики еженедельно, 1 февраля 2003 г.
  11. ^ Дженк Аджар, Андрей Шкель.«Вибрационные гироскопы с МЭМС: структурные подходы к повышению надежности».2008.стр. 8 раздел «1.5 Применение МЭМС-гироскопов».
  12. ^ "Падающий ящик (видео)". Архивировано из оригинал 23 июля 2011 г.. Получено 1 июля, 2010.
  13. ^ «Решение обнаружения движения InvenSense IDG-600 продемонстрировано в новом аксессуаре Nintendo Wii MotionPlus» (Пресс-релиз). InvenSense. 15 июля 2008 г. Архивировано с оригинал 17 апреля 2009 г.. Получено 28 мая, 2009.
  14. ^ «Устройство Epson Quartz Crystal - О QMEMS». Получено 12 марта, 2013.
  15. ^ Лаборатория реактивного движения, "Космический корабль Кассини и зонд Гюйгенса", стр. 2, https://saturn.jpl.nasa.gov/legacy/files/space_probe_fact.pdf
  16. ^ Сарапулов С.А. Высокодобротный сапфировый резонатор твердотельного гироскопа CRG-1 - В кн .: 100 избранных технологий Академии технологических наук Украины (АТС Украины). Каталог. - Издано УНТЦ (Научно-технический совет Украины). Киев. http://www.stcu.int/documents/reports/distribution/tpf/MATERIALS/Sapphire_Gyro_Sarapuloff_ATSU.pdf
  17. ^ Сарапулов С.А., Литвинов Л.А., и другие. Особенности конструкции и технологии изготовления высокодобротных сапфировых резонаторов твердотельных гироскопов типа CRG-1 // XIV Международная конференция по интегрированным навигационным системам (28–30 мая 2007 г., Санкт-Петербург, РФ). - Санкт-Петербург. Государственный научный центр России - Центральный научно-исследовательский институт «ЭлектроПрибор». РФ. 2007. - С.47-48.
  18. ^ Стивен Насири. «Критический обзор технологии МЭМС-гироскопов и статуса их коммерциализации» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 6 декабря 2010 г.. Получено 1 июля, 2010.

внешняя ссылка

  • Материалы юбилейного семинара по твердотельной гироскопии (19–21 мая 2008 г., Ялта, Украина). - Киев-Харьков. АТС Украины. 2009. - ISBN  978-976-0-25248-5. Смотрите также следующие встречи на: Международные семинары по твердотельной гироскопии [1].
  • Silicon Sensing - Пример использования: Segway HT
  • Апостолюк В. Теория и конструкция микромеханических вибрационных гироскопов
  • Пранди Л., Антонелло Р., Обое Р. и Биганзоли Ф. Автоматическое согласование режимов в вибрационных гироскопах МЭМС с использованием управления поиском экстремума // Транзакции IEEE по промышленной электронике. 2009. Том 56. - С.3880-3891.. [2]
  • Пранди Л., Антонелло Р., Обое Р., Каминада К. и Биганцоли Ф. Компенсация квадратурной ошибки с разомкнутым контуром в вибрационных гироскопах MEMS // Материалы 35-й ежегодной конференции Общества промышленной электроники IEEE - IECON-2009. 2009 г. [3]